Движение жидкости, вязкость и реология среды оказывают существенное влияние на многие биофизические процессы на клеточном и суб-клеточном уровне: от биомеханики простейших организмов до изменения конформации биополимеров под действием гидродинамических сил. Многомасштабность биофизических процессов в биологических жидкостях и тканях приводит к необходимости создания особого рода иерархических моделей, состоящих их отдельных блоков для каждого из масштабов: молекулярного, клеточного и макроскопического. В рамках данного направления на кафедре исследуются биомеханические явления, связанные с течением крови и других жидких биологических сред.
Руководитель направления: к.ф.-м.н. Беляев Алексей Вячеславович
Среди широкого спектра биомеханических явлений, представляющих интерес для нашего коллектива, можно особо выделить несколько.
Биологическия адгезия, по-видимому, один из важнейших инструментов самоорганизации биологической материи на клеточном, тканевом и макроскопическом уровнях. Так, микроорганизмы могут прикрепляться к различным поверхностям и формировать бактериальные пленки, устойчивые к гидродинамическим воздействиям. Еще пример – агрегация тромбоцитов крови и рост тромба в кровеносных сосудах. Одно из важных свойств особых форменных элементов крови - тромбоцитов - их способность к адгезии и агрегации под действием биохимических агонистов или механических стимулов. По одной из существующих гипотез механизм остановки роста тромба связан с гидродинамическими явлениями.
Концепция применения гибридных моделей в вычислительной гемодинамике на клеточном масштабе
Цель исследований – понять, как гидродинамические потоки влияют на структуру и механические свойства клеточных агрегатов. Мы используем многомасштабные компьютерные модели и проводим расчеты на суперкомпьютере «Ломоносов-2» НИВЦ МГУ, а также сотрудничаем с ведущими специалистами из университетов Европы. Перспективой работы является создание теоретической основы для предсказания рисков тромбоза, а также для проектирования новых гемосовместимых материалов для имплантируемых устройств.
Другой класс задач связан с изучением механических и механо-химических свойств белков крови, в частности, фактора фон Виллебранда, фибриногена, адгезионных рецепторов клеток крови. Интерес представляют конформационные изменения в этих биомакромолекулах под действием механических напряжений и гидродинамических сил, а также выявление взаимосвязи между их строением и механическими свойствами.
Крупно-зернистая компьютерная модель димера (вверху) и мультимера фактора Виллебранда (внизу) позволяет изучить междоменные взаимодействия, их влияние на размер и конформацию четвертичной структуры белка и их роль в феномене гидродинамической активации VWF и агрегации тромбоцитов.
Кроме того, можно сформулировать ряд актуальных направлений:
- Исследование молекулярных механизмов биологической адгезии и механорецепции.
- Создание и верификация системной биомеханической модели адгезии и агрегации тромбоцитов в потоке цельной крови.
- Поиск новых эффективных вычислительных подходов для предсказательного пациент-ориентированного гемодинамического моделирования.
- Исследование механо-химических эффектов в биополимерах под действием гидродинамических сил и поиск методик их практического использования в биотехнологии.
- Молекулярное моделирование динамики белков на различных масштабах.
Биомеханика первичной адгезии тромбоцита к иммобилизированному фактору Виллебранда
в потоке жидкости по данным компьютерного моделирования
См. также:
- Exposure of Von Willebrand Factor Cleavage Site in A1A2A3-Fragment under Extreme Hydrodynamic Shear
- Multiphase continuum modeling of thrombosis in aneurysms and recirculation zones
- Intradimer forces and their implication for conformations of von Willebrand factor multimers
- Effects of hydrophobicity, tethering and size on flow-induced activation of von Willebrand factor multimers